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基于 TMS320F2812以太网通信系统的探讨

作者：邹熙日期：2016-01-05 14:09 来源：未知

【文章摘要】
本文基于 DSP 芯片 TMS320F2812的基础上，从DSP嵌入式趋势的角度，论述了TCP/IP协议的选取及相关硬件PHY芯片的选型，对基于DSP的以太网通信系统设计进行了初步探讨。
【关键词】
DSP；以太网；通信
随着通讯技术和半导体技术的飞速发展，网络技术正在逐渐向工业控制和嵌入式系统设计领域渗透。与此同时，信息技术和网络技术的高速发展，使得嵌入式体系已经进入到社会的各个方面，伴随TCP/IP技能的日益成熟和应用遍及，实现嵌入式体系网络通讯已变成必然趋势。
1 DSP 的嵌入式趋势
DSP（Digital Signal Processor）是一种专门用于数字信号处理的微处理器，是目前电子工业领域增长最迅速的产品之一。DSP芯片发展如此迅速首先是因为集成电路的高速发展把单片DSP芯片变为现实。其次，从军用国防到民用产品都存在着巨大的市场潜力。而且近几年随着DSP芯片发展的日益成熟，价格逐渐降低，稳定性逐渐增强，性价比不断提高，使得DSP芯片在很多方面都得到了广泛的应用。DSP芯片的内部采用哈佛结构和流水线操作，这样极大程度的提高了指令执行和数据访问的速度；同时相对于其他微处理器，最大的特点是具有专门的硬件乘法器，这样在进行较复杂的运算时可以交由硬件乘法器独立完成，提高CPU的使用效率。世界上没有完美的处理器，DSP不是万能的。嵌入式设备的特点决定了它在投入成本、体积和功耗等方面都有一定的要求，而DSP芯片的主要特点完全切合了嵌入式设备在这些方面的特殊要求，使得DSP芯片注定成为嵌入式领域内无法取代的一款微处理器。而在很多嵌入式系统中，都要必须实现TCP/IP协议，正如现在使用最为广泛的民用产品智能手机，它们都需要通过网络实现各种功能。那么如何在基于DSP芯片的嵌入式系统中实现TCP/IP协议，从而完成嵌入式设备之间的网络通信就成为了我们探讨的重点。
2 TCP/IP 协议的选取
TCP/IP协议是一个四层协议系统，包括链路层、网络层、传输层和应用层。每一层都有不同的协议，实现不同的功能。 TCP/IP整个协议栈内容复杂，种类繁多，在资源有限的DSP平台上是不可能像PC机那样都实现的，也是没有必要的。所以可以针对具体应用，对TCP/IP协议进行选取和裁剪，实现一个简化协议栈，以适应当前嵌入式系统的要求，完成两个网络硬件之间的通信。
链路层：主要负责和网络的直接通信；
（1）只使用了 ARP 协议，因 RARP 协议主要针对无盘系统，在嵌入式系统中可以不采用；
（2）没有采用ARP高速缓存，因为对于嵌入式系统，主机和路由器都是相对固定的，地址一般都是嵌入式系统默认的目的IP地址；
网络层：主要利用IP（网际协议）完成数据包的路由和传递，是处理分组在网络中的活动。因此我们做了如下简化：
（1）ICMP 类型很多，有近 40 多种，在嵌入式系统中只使用了用于Ping服务的两种 ICMP，回显应答和请求回显；
（2）IP 协议是整个 TCP/IP 协议中最为核心的协议；
传输层：主要提供应用程序之间的通信；
（1）只采用了 UDP 协议，UDP 作为非连接型协议，以其资源消耗小，处理速度快等特点显现出无可比拟的优越性；
（2）没有采用 TCP 协议，是因为 TCP协议的可靠性虽然高，但是消耗的开销比较多；
3 硬件 PHY 芯片选型
DSP芯片上没有直接可以与上位机相连的部件。需要加入一块PHY芯片才能实现DSP与上位机的通信。PHY芯片也很常见，就是PC机里面的网卡。在PC端，PCI 总线接 MAC 设备，MAC 设备接PHY芯片，PHY芯片接网线；在 DSP端，就只是 MAC 设备接 PHY 芯片，PHY 芯片接网线。
RTL8019AS是一种具有高集成度的全双工以太网控制芯片，可以方便的实现NE2000S适配器的即插即用，由台湾REALTEK公司开发，性能优良且功耗很低。RTL8019AS 具有三种断电控制模式，是作为节能电脑网络设备的最佳选择。全双工模式使得双绞线和网络交换机之间实现不间断收发，这个特点不仅将信道带宽从 10Mbps 增加至 20Mbps，而且避免了由于以太网CSMA/CD协议中信道争用而产生的性能退化问题。即插即用的特性降低了用户使用过程中对适配器资源的频繁设置，例如IRQ，I/O和存储器地址等。而且对于不是即插即用的特殊应用设备，RTL8019AS还支持跳线和非跳线模式，应用非常灵活。
RTL8019AS 内部分为远程 DMA 接口、本地 DMA 接口、MAC（介质访问控制）逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。RTL8019AS 的主要性能特点可概括如下：100-pin PQFP 封装；
支持 PnP自动检测模式；
支持 Ethernet II 和 IEEE802.3
10Base5、10Base2、10BaseT ；
软件兼容 8/16 位的 NE2000，支持 8个中断申请以及 16 个 I/O 基地址选择；
支持跳线和非跳线模式；
支持全双工以太网功能，拓宽信道带宽，降低信道冲突；
内置的数据预取函数来提高系统性能；支持UTP，AUI和BNC自动检测功能，支持对100BaseT拓扑结构的自动极性修正；
内置 16KB 的 SRAM，用于收发缓冲；
使用 9346(64 * 16) 来存储资源配置和 ID 参数，并支持对空白 9346 编程。
4 结束
基于DSP的嵌入式通信平台，将以太网技术应用于工业控制领域，使得现场控制设备和计算机网络可以实现快速无缝连接，信息得到了快速共享，消除了因存在多重现场总线标准，互操作性降低的问题。本文利用DSP的强大运算处理能力和越来越丰富的接口资源，从DSP嵌入式趋势的角度，论述了TCP/IP协议的选取及相关硬件PHY芯片的选型，对基于DSP的以太网通信系统设计进行了初步探讨。然而，由于时间和能力有限，还有一些不足之处有待完善。主要有如下几方面：
如果要传输语音，图像等多媒体信息，需要选用更高档的DSP芯片，因为本文选用的 DSP 芯片 TMS320F2812 主要是应用在控制领域，其时钟频率较低；
初步设想没有涉及到扩展外部存储器，是因为 TMS320F2812 的内部存储器基本可以满足本嵌入式系统的要求，若要实现比较复杂、开销较多的TCP/IP协议，可以扩展外部存储器；
【参考文献】
[1]段旭良.基于DSP嵌入式以太网通信系统的设计[J].哈尔滨工程大学 .2013
[2] 张莉 . 基于 μC/OS- Ⅱ的嵌入式网络协议栈的研究[J].南京理工大学 .2011
[3] 陈丽雪，吴志红，罗强 . 基于 μC/OS-Ⅱ的嵌入式以太网接口的设计与实现[J].四川大学学报(自然科学版 ).2013(04)